Title: Preliminary Study of a Surgical Navigation with Point Based Registration Method

Abstract: By the help of technological advances such as the development of computer and imaging technologies, surgical navigation has started to be used rapidly in medical literature. It is one of the recent methods used to track surgical tools inside the operation volume. In light of vital advantages as operation safety, minimally invasive application compatibility, reduction of operation times and reduced post operation complication risks, surgical navigation has been rapidly adopted throughout the relevant fields. Considering these, this study both tries to apply an introduced analytical method to one of the most important steps of surgical navigation as registration and compares the results within the scope of application compatibility. Throughout the study, a solid model with known dimensions was placed inside a capture volume in which the motion cameras are able to provide position measurements. Carrying out point based registration method by taking necessary measurements, relation between the model reference and measurement space reference was calculated by means of a transformation matrix. Using acquired relationship, measured landmark positions of the model were compared with the structurally known real landmark positions. At the end of the study results were given and the applicability of the introduced analytical solution method in point based registration is discussed.

Keywords: Medical robotics; surgical navigation; point based registration; motion capture

Başlık: Nokta Tabanlı Eşleştirme Yöntemi ile Bir Cerrahi Navigasyon Ön Çalışması

Özet: Bilgisayar ve görüntüleme teknolojilerinin gelişmesiyle medikal alanda hızla kullanılmaya başlayan cerrahi navigasyon, operasyon hacminin takibinin sağlanmasında kullanılan güncel medikal yöntemlerden biridir. Uygulama esnasında cerrah ve hastaya sağladığı, operasyon güvenliği, minimal invaziv uygulama uyumluluğu, operasyon sürelerinin ve uygulama sonrası komplikasyon risklerinin azaltılması gibi önemli avantajlar ışığında cerrahi navigasyon ile takip, ilgili alanlarda hızlı bir şekilde benimsenmiştir. Bu çalışma, cerrahi navigasyon sürecinin uygulanabilmesi için gereken en önemli adımlardan biri olan eşleştirme prosedürünün analitik çözüm yöntemi ile gerçekleştirilmesi ve elde edilen sonuçların uygulama uyumluluğu kapsamında karşılaştırılmasını içermektedir. Çalışma kapsamında boyutları net olarak bilinen katı bir model, hareket yakalama kameralarının takip edebildiği ilgili uygulama hacmine yerleştirilmiş, ardından nokta tabanlı eşleştirme yöntemi kullanılarak cerrahi navigasyon için gerekli olan gerçek model referansı ile hareket yakalama kameralarının yeraldığı ölçüm uzay referansı arasındaki ilişki bulunmuştur. Dönüşüm dizeyi olarak elde edilen bu ilişki kullanılarak, gerçek model üzerinde yer alan belirleyici bölge noktalarının gerçek konumları ile ölçüm verileri ile elde edilen nokta konumları karşılaştırılmış ve analitik çözüm yönteminin nokta tabanlı eşleştirmede uygulanabilirliliği tartışılmıştır.

Anahtar kelimeler: Medikal robotik; cerrahi navigasyon; nokta tabanlı eşleştirme; hareket yakalama

• Shuhaiber JH. Augmented reality in surgery. Archives of Surgery 2004; 139(2): 170-174.
• Guthart GS, Salisbury JK. The intuitive/sup TM/telesurgery system: overview and application. In Proceedings 2000 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Symposia Proceedings (Cat. No. 00CH37065) 2000; 1: 618-621.
• Siebegger M, Mischkowski RA, Schneider BT, Krug B, Klesper B, Zoller JE. Image guided surgical navigation for removal of foreign bodies in the head and neck. Journal of CranioMaxillofacial Surgery 2001; 29(6): 321-325.
• Harugop AS, Mudhol RS, Godhi RA. A comparative study of endoscope assisted myringoplasty and micrsoscope assisted myringoplasty. Indian Journal of Otolaryngology and Head & Neck Surgery 2008; 60(4): 298-302.
• Clancy NT, Arya S, Qi J, Stoyanov D, Hanna GB, Elson DS. Polarised stereo endoscope and narrowband detection for minimal access surgery. Biomedical Optics Express 2014; 5(12): 4108-4117.
• Arun KS, Huang TS, Blostein SD. Least-squares fitting of two 3-D point sets. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 1987; 9(5): 698-700.
• Hong J, Hashizume M. An effective point-based registration tool for surgical navigation. Surgical Endoscopy 2010; 24(4): 944-948.
• Jeon S, Park J, Chien J, Hong J. A hybrid method to improve target registration accuracy in surgical navigation. Minimally Invasive Therapy & Allied Technologies 2015; 24(6): 356-363.
• Hong J, Matsumoto N, Ouchida R, Komune S, Hashizume M. Medical navigation system for otologic surgery based on hybrid registration and virtual intraoperative computed tomography. IEEE Transactions on Biomedical Engineering 2008; 56(2): 426-432.
• Tomikawa M, Hong J, Shiotani S, Tokunaga E, Konishi K, Ieiri S, Tanoue K, Akahoshş T, Maehara Y, Hashizume M. Real-time 3-dimensional virtual reality navigation system with open MRI for breast-conserving surgery. Journal of the American College of Surgeons 2010; 210(6): 927-933.
• Cho HS, Park YK, Gupta S, Yoon C, Han I, Kim HS, Choi H, Hong, J. Augmented reality in bone tumour resection: an experimental study. Bone & Joint Research 2017; 6(3): 137-143.